Wtryskiwacze w gazowych układach zasilania

Wtryskiwacze są jednym z najważniejszych elementów we współczesnych gazowych układach zasilania. Od precyzji ich działania zależy prawidłowa praca jednostki napędowej.

CitroenPrzekrój zaworu wtryskowego stosowanego w systemie III generacji Necam Koltec EGI

Historia

Wtrysk benzyny

Pierwsze prace nad wtryskiem paliwa do silników o zapłonie iskrowym rozpoczęto na początku XX w., jednak dopiero w latach 30. wtrysk paliwa zaczęto z powodzeniem stosować w silnikach lotniczych. Pierwsze zastosowanie wtrysku benzyny w samochodzie nastąpiło w latach 50. (Mercedes 300 SL). Rozwiązanie to trafiło na rynek „cywilny” w 1967 r. (Volkswagen 1600 LE/TLE). Był to już elektronicznie sterowany wtrysk benzyny (D-Jetronic firmy Bosch). Wzrastające wymagania emisyjne i związany z tym rozwój produkcji układów zasilania wtryskowego, wpływający na obniżenie kosztów, spowodowały, że silniki o zapłonie iskrowym współczesnych samochodów są zasilane wyłącznie z wykorzystaniem systemów wtrysku benzyny.

StefanelliBudowa wewnętrzna zintegrowanej listwy wtryskowej (membranowej) Stefanelli. Od góry widoczne: 1- śruby łączące korpus z częścią zawierającą cewki elektromagnetyczne, 2- pokrywa zawierająca cewki i złącza elektryczne, 3- membrany, 4- korpus z ukształtowanym wewnątrz kolektorem rozdziału metanu, 5- korek zaślepiający kolektor (umożliwia połączenie w kolejną listwą wtryskową), 6- nakrętki

Wtrysk gazu

Logiczną i nieuniknioną konsekwencją rozwoju układów zasilania benzyną był także rozwój instalacji gazowych. Po latach dominacji systemów mieszalnikowych (I i II generacja) zaczęły rozwijać się systemy wtrysku gazu odparowanego i ciekłego, a wraz z nimi różnego rodzaju wtryskiwacze gazu.

Pierwsze instalacje gazowe wykorzystujące „wtrysk” gazu odparowanego pojawiły się na naszym rynku pod koniec lat 90. ubiegłego wieku, wraz z silnikami benzynowymi wyposażonymi w wielopunktowe systemy wtrysku benzyny oraz układy dolotowe wykonane z tworzyw sztucznych. Były to instalacje III generacji, w których wykorzystywano zawory wtryskowe (trudno nazwać je już wtryskiwaczami).

gazeo.plBudowa wewnętrzna wtryskiwacza PLANIjet. Od lewej: wykonana z tworzywa sztucznego górna część korpusu z cewką elektromagnesu oraz widoczną sprężyną (utrzymującą wtryskiwacz w pozycji zamkniętej), dolna część korpusu ze stopów aluminium (widoczne dwa punkty podparcia blaszki, płytki zamykającej przepływ gazu oraz gniazdo do którego jest ona dociskana sprężyną, blaszka z otworami utrzymującymi ją w określonej pozycji jest pokryta elastycznym materiałem zapewniającym szczelność wtryskiwacza

Za otwieranie i zamykanie przepływu gazu odpowiadała membrana, której ruch był wymuszany przez zmiany podciśnienia w układzie dolotowym silnika oraz ciśnienia gazu. Były to bardzo proste, a zatem stosunkowo niezawodne elementy. Wymagały jednak stosowania skomplikowanych urządzeń dozujących odpowiednią dla konkretnych warunków ilość gazu. Tego typu elementy były stosowane w systemach EGI firmy Necam Koltec, EtaGas Tartarini czy IGS Landi Renzo.

Współczesność

CzakramPrzekrój zasilanego od góry wtryskiwacza Keihin

Obecnie stosowane są systemy zasilania gazowego IV generacji, które są sekwencyjnymi układami wtrysku LPG w fazie gazowej. To właśnie wraz z wprowadzeniem systemów sekwencyjnych pojawiły się elektromagnetyczne wtryskiwacze LPG w fazie gazowej z „prawdziwego zdarzenia”, tzn. przypominające budową wtryskiwacze benzynowe.

Rodzaje wtryskiwaczy

Wtryskiwacze gazowe to głównie konstrukcje:

-membranowe - element zamykający przepływ gazu ma formę elastycznej membrany, która dociskana do gniazda sprężyną zamyka przepływ gazu. Otwarcie wtryskiwacza uzyskuje przez uniesienie membrany siłą elektromagnesu. Membrana jest elementem o niewielkiej masie, zatem wtryskiwacze membranowe charakteryzują się dużą szybkością działania,

- blaszkowe(płytkowe) - element zamykający przepływ gazu ma postać lekkiej blaszki, co także przekłada się na dużą szybkość działania,

MatrixZintegrowana listwa wtryskowa Matrix HD344 (do zasilania 4 cylindrów). Widoczne blaszki z uszczelnieniami gumowymi, które stanowią elementy zamykające przepływ gazu. Dolna część z króćcem doprowadzającym gaz zawiera cewki elektromagnesów wprawiające w ruch blaszki (płytki)

- tłoczkowe - element zamykający przepływ gazu ma formę metalowego tłoczka o znacznej w porównaniu z w.w. masie.

Podział jest dosyć umowny i uwzględnia potoczne nazwy tych elementów funkcjonujące w żargonie warsztatowym. Pochodzą od kształtu elementów odpowiedzialnych za otwieranie i zamykanie przepływu gazu.

Ze względu na miejsce, w którym znajduje się króciec doprowadzający gaz wtryskiwacze gazowe (szczególnie tłoczkowe) można dodatkowo podzielić na zasilane od góry oraz zasilane od dołu.

Wbrew pozorom elementy zamykające przepływ gazu nie są tak proste jako mogłoby się wydawać z opisu. Gumowe membrany muszą mieć elementy stalowe, aby można było działać na nie elektromagnesem oraz elementy uszczelniające. Podobnie sytuacja wygląda z tłoczkami i blaszakami, które są same w sobie elementami ferromagnetycznymi (poddającymi się działaniu cewek elektromagnesów), ale muszą być wyposażone w gumowe elementy uszczelniające.

LovatoBudowa wewnętrzna zasilanego od dołu wtryskiwacza Lovato: 1- tłoczek, 2- uszczelnienie tłoczka, 3- gniazdo, 4- króciec doprowadzający gaz, 5- kalibrowana dysza, 6- kolektor rozdziału gazu, 7- sprężyna, 8- cewka elektromagnesu

Tłoczki często pokrywa się specjalnymi materiałami ograniczającymi tarcie, co wpływa na zwiększenie trwałości wtryskiwaczy.

W większości przypadków wtryskiwacze gazowe są elementami pojedynczymi, które można łączyć w listwy po kilka (w zależności od liczby cylindrów lub układu konstrukcyjnego silnika). Na rynku dostępne są również listwy wtryskowe, będące jednym, zintegrowanym zespołem wyposażonym w liczbę sekcji odpowiadającą liczbie cylindrów silnika (wtryskiwacze typu Matrix).

gazeo.plWtryskiwacze PLANIjet połączone w listwy

Pojedyncze wtryskiwacze łączy się w listwy z wykorzystaniem dodatkowych elementów, które w zależności od typu wtryskiwacza mogą mieć różną formę. Mogą to być specjalne kolektory doprowadzające gaz będące oddzielnymi elementami, w których osadza się wtryskiwacze. Występują także wtryskiwacze gazowe ze specjalnie ukształtowanymi korpusami umożliwiającymi ich łączenie (bezpośrednio lub z wykorzystaniem elementów złącznych). Kolektor, którym przepływa gaz jest wtedy ukształtowany w korpusach wtryskiwaczy.

Zasada działania

LovatoZasilane od dołu wtryskiwacze Lovato i sposób ich łączenia w listwy

Pomimo różnic konstrukcyjnych pomiędzy wtryskiwaczami benzynowymi i gazowymi ich zasada działania jest bardzo podobna. Elektromagnes przemieszcza element otwierający przepływ gazu do kanałów dolotowych. Różnice wynikają z charakteru paliwa gazowego, które ma znaczenie większą objętość w stosunku do odpowiadającej dawki benzyny. Z tego powodu wtryskiwacze LPG mają znacznie większe w stosunku do benzynowych przekroje kanałów, którymi przepływa paliwo. Przekłada się to, szczególnie we wtryskiwaczach tłoczkowych na duże masy elementów (mają one dużą bezwładność), które zamykają przepływ gazu.

gazeo.plZasilane od góry japońskie wtryskiwacze tłoczkowe Keihin połączone wspólnym kolektorem dostarczającym gaz

Zatem aby wtryskiwacz był szybki (krótki czas otwarcia i zamknięcia) konieczne jest stosowanie cewek elektromagnesów zdolnych do wytwarzania dużych sił. Wszystkie te aspekty przekładają się na większe, w stosunku do benzynowych, wymiary zewnętrzne wtryskiwaczy gazowych.

Parametry wtryskiwacza gazowego

Bardzo istotnym parametrem wtryskiwaczy gazowych jest ich wydajność, która pozwala na ich dobór do zastosowania konkretnym silniku (o określonej mocy).

ViallePrzykład wtryskiwaczy gazu ciekłego łączonych korpusami (Vialle LPi)

Producenci podają zatem wydajność wtryskiwaczy w KM/cyl. Niektóre wtryskiwacze są oferowane w kilku wersjach obejmujących różne zakresy wydajności, które dla łatwej identyfikacji są oznaczane kolorami. W ten sposób w zależności od wielkości jednostki napędowej dobiera się wydajność wtryskiwacza. Dokładne dostosowanie wydajności do konkretnego silnika uzyskuje się stosując odpowiednie dysze (wkręcane w kolektor dolotowy) za pośrednictwem, których gaz dociera do silnika. Odpowiednio dobrane dysze powodują, że silnik pracuje prawidłowo pełnym zakresie prędkości obrotowych i obciążeń, uzyskując odpowiednie dla danego typu wtryskiwacza czasy otwarcia.

Dodatkowo wtryskiwacze zasilające poszczególne cylindry silnika powinny mieć możliwie równą wydajność utrzymywaną w długim okresie eksploatacji.

Wtryskiwacz gazu powinien charakteryzować się dużą szybkością działania, tzn. powinien otwierać się zamykać w możliwie najkrótszym czasie po podaniu napięcia, co biorąc pod uwagę jego budowę z dość masywnymi elementami wykonawczymi (zamykającymi przepływ gazu) jest trudne do zrealizowania. Wtryskiwacze gazowe pod tym względem nie dorównują benzynowym.

Wtryskiwacze gazu ciekłego

Oddzielną grupę wtryskiwaczy gazowych stanowią wtryskiwacze stosowane w systemach V generacji, w których gaz jest podawany do układu dolotowego w stanie ciekłym. Są to wtryskiwacze bardzo zbliżone w budowie do wtryskiwaczy benzynowych lub wręcz te same. Przykładem jest system gazowy LPdi firmy Vialle przeznaczony do zasilania silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny, w którym gaz w stanie ciekłym jest podawany bezpośrednio do komór spalania z wykorzystaniem oryginalnych wtryskiwaczy benzynowych. Aplikacje tego systemu do kolejnych silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny są wprowadzane do oferty firmy.

Podsumowanie

Wtryskiwacze gazu są najbardziej precyzyjnymi elementami współcześnie stosowanych systemów zasilania gazowego. Odpowiedni ich dobór gwarantujący prawidłową pracę jednostki napędowej to zadanie warsztatu, lecz zasadniczy wpływ na kondycję wtryskiwaczy w trakcie eksploatacji ma sam użytkownik. Tylko terminowo wykonywana obsługa gazowego systemu zasilania, której podstawowe czynności są związane z wymianą filtrów (szczególnie fazy gazowej) wpływają bezpośrednio na trwałość wtryskiwaczy gazowych.